JP2010124654A - 振動波アクチュエータ、それを備えるレンズ鏡筒及びカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】駆動性能の優れた振動波アクチュエータを提供する。
【解決手段】本発明の振動波アクチュエータは、電気機械変換素子の励振により振動を発生する振動子（１３）と、前記振動子（１３）と接触し、前記振動により前記振動子（１３）に対して相対運動を行う相対運動部材（１５）と、を備えた振動波アクチュエータ（１０）であって、前記振動子（１３）は、樹脂製膜（１８）が形成された第１の面（１３ａ）を有し、前記相対運動部材（１５）は、前記第１の面（１３ａ）と対向し、陽極酸化膜（１９）が形成され、かつ、前記相対運動の方向と垂直な第１の方向における幅が前記第１の面（１３ａ）より小さい第２の面（１５ｂ）を有し、前記第２の面（１５ｂ）は、前記第１の面と接触する第１の部分と、前記第１の部分の端部から前記第２の面（１５ｂ）の端部まで延在し前記第１の面から漸次離れるように湾曲した第２の部分（１５ａ）を有する、を特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気機械変換素子を用いて振動子に振動波を発生させ、この振動によって相対運動部材を摩擦駆動させる振動波アクチュエータ、それを備えるレンズ鏡筒及びカメラに関するものである。

従来、振動子側接触面の幅が相対運動部材側接触面よりも小さい構造の振動波アクチュエータにおいて、振動子側接触面の角部を０．３ｍｍ以上のＲで面取りし、その上に陽極酸化膜を設けたものがある。これは、角部のＲが小さいと陽極酸化膜が剥がれやすくなるため、そのような剥がれを防止するためである（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１１８３０４号公報

しかし、振動子の表面に樹脂製膜が設けられ、相対運動部材の表面に陽極酸化膜が設けられ、振動子側接触面の幅が相対運動部材側接触面よりも大きい構造の振動波アクチュエータもある。この場合、振動子側接触面の面取りの有無によらず、相対運動部材の陽極酸化膜が滑らかに形成されていないと、樹脂性膜が損傷し、磨耗粉が発生し、摩擦接触面の安定性が保てない。そして、磨耗深さが増大したり、駆動時に異音が発生したり、駆動効率が低下したりする可能性がある。また、静止状態においても、陽極酸化膜の角部の尖った部分が相手材の振動子の樹脂塗膜に食い込み、振動波アクチュエータの固着が発生する可能性がある。

本発明の課題は、振動子の表面に樹脂製膜が設けられ、相対運動部材の表面に陽極酸化膜が設けられ、振動子側接触面の幅が相対運動部材側接触面よりも大きい構造の振動波アクチュエータにおいて、駆動性能の優れた振動波アクチュエータを提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。

請求項１に記載の発明は、電気機械変換素子の励振により振動を発生する振動子（１３）と、前記振動子（１３）と接触し、前記振動により前記振動子（１３）に対して相対運動を行う相対運動部材（１５）と、を備えた振動波アクチュエータ（１０）であって、前記振動子（１３）は、樹脂製膜（１８）が形成された第１の面（１３ａ）を有し、前記相対運動部材（１５）は、前記第１の面（１３ａ）と対向し、陽極酸化膜（１９）が形成され、かつ、前記相対運動の方向と垂直な第１の方向における幅が前記第１の面（１３ａ）より小さい第２の面（１５ｂ）を有し、
前記第２の面（１５ｂ）は、前記第１の面と接触する第１の部分と、前記第１の部分の端部から前記第２の面（１５ｂ）の端部まで延在し前記第１の面から漸次離れるように湾曲した第２の部分（１５ａ）を有すること、を特徴とする振動波アクチュエータ（１０）である。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の振動波アクチュエータ（１０）において、前記第２の面（１５ｂ）の前記第２の部分（１５ａ）は、Ｒ０．１ｍｍ以上で面取りされていること、を特徴とする振動波アクチュエータ（１０）である。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の振動波アクチュエータ（１０）において、前記第２の面（１５ｂ）の前記第２の部分（１５ａ）は、前記代２の面の前記第１の方向における幅の２分の１よりも小さいＲで面取りされていること、を特徴とする振動波アクチュエータ（１０）である。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動波アクチュエータ（１０）において、前記第２の面（１５ｂ）の前記第２の部分（１５ａ）は、前記陽極酸化膜（１９）の膜厚の５倍以上のＲで面取りされていること、を特徴とする振動波アクチュエータ（１０）である。
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動波アクチュエータ（１０）において、前記陽極酸化膜（１９）は、膜厚が３０μｍ以下であることを特徴とする振動波アクチュエータ（１０）である。
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の振動波アクチュエータ（１０）であって、前記陽極酸化膜（１９）の外側にさらに無電解ニッケル−リン膜が形成されていること、を特徴とする振動波アクチュエータ（１０）である。
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の振動波アクチュエータ（１０）を備えるレンズ鏡筒（３）である。
請求項８に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の振動波アクチュエータ（１０）を備えるカメラ（１）である。
なお、符号を付して説明した構成は、適宜改良してもよく、また、少なくとも一部を他の構成物に代替してもよい。

本発明によれば、駆動性能の優れた振動波アクチュエータを提供することができる。

以下、図面等を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明による振動アクチュエータの実施形態として、超音波領域の振動を利用する超音波モータを例に挙げて説明する。

図１は、本実施形態のカメラ１を示す図である。
本実施形態のカメラ１は、撮像素子６を有するカメラボディ２と、レンズ鏡筒３とを備える。レンズ鏡筒３は、カメラボディ２に着脱可能な交換レンズである。なお、本実施形態のカメラ１は、レンズ鏡筒３が交換レンズである例を示すが、これに限らず、例えば、カメラボディと一体型のレンズ鏡筒であってもよい。

レンズ鏡筒３は、レンズ４、カム筒５、超音波モータ１０等を備える。本実施形態では、超音波モータ１０は、略円環形状であり、その円環中心軸方向が光軸方向（図１中の矢印Ａ方向）と略一致するようにレンズ鏡筒３内に配置されている。この超音波モータ１０は、カメラ１のフォーカス動作時にレンズ４を駆動する駆動源として用いられている。超音波モータ１０から得られた駆動力は、カム筒５に伝えられる。レンズ４のレンズ枠４ａは、カム筒５とカム係合しており、超音波モータ１０の駆動力によってカム筒５が光軸回りに回転すると、レンズ４は、光軸方向へ移動して焦点調節が行なわれる。

図１において、レンズ鏡筒３内に設けられた不図示のレンズ群（レンズ４を含む）によって、撮像素子６の撮像面に被写体像が結像される。撮像素子６によって、結像された被写体像が電気信号に変換され、その信号をＡ／Ｄ変換することによって、画像データが得られる。

図２は、本実施形態の超音波モータ１０の断面図である。本実施形態の超音波モータ１０は、圧電体１１及び弾性体１２を備える振動子１３と、移動体１５と、フレキシブルプリント基板１４と、振動吸収材１６と、支持体１７とを備えている。

圧電体１１は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する。本実施形態では、圧電体１１として圧電素子を用いているが、電歪素子を用いてもよい。この圧電体１１は、フェルト等の振動吸収材１６を介して、レンズ鏡筒３に設けられた支持体１７に固定されている。
圧電体１１は、不図示の電極部が形成されている。圧電体１１は、この電極部と電気的に接続されたフレキシブルプリント基板１４から供給される駆動信号により伸縮し、弾性体１２を励振する。

弾性体１２は、圧電体１１の励振により進行波を発生する部材である。弾性体１２は、高弾性率を有するステンレス鋼等の鉄合金により形成される。本実施形態の弾性体１２は、ＳＵＳ３０３により形成されている。
弾性体１２は、略円環形状の部材であり、一方の面には導電性を有する接着剤等により圧電体１１が接着され、他方の面には複数の溝を切って形成された不図示の櫛歯部が設けられている。
弾性体１２の先端面、すなわち振動子１３の先端面は、後述する移動体１５と加圧接触する接触面１３ａであり、この面に発生する進行性振動波によって移動体１５が回転駆動される。この接触面１３ａには、熱硬化性樹脂により形成された樹脂膜１８が形成されている。

移動体１５は、アルミニウム等の軽金属によって形成された略円環形状の部材であり、移動体１５の接触部の径方向の幅は、弾性体１２の径方向の幅より小さい。そして、弾性体１２と接触する側の円環の稜線の角部１５ａは、丸く、所定のＲを有するように形成されている。
ここで、Ｒとは、角部１５ａを面取りする際の、その角部１５ａに設けられた丸み部分の半径をいう。なお、後述するＣは、角部を、交差する２つの面に対して４５度の角度で切り取ったときの、切り取られた辺の長さである。
このように移動体１５は、角部１５ａが面取りされて丸く形成され、すなわち、移動体１５の接触面１５ｂは、弾性体１２の接触面１３ａに対して、互いに接触している部分から漸次離れるように湾曲している。

また、本実施形態の移動体１５は、Ａ６０６１等のアルミニウム合金により形成されている。移動体１５は、振動子１３（弾性体１２）と加圧接触し、進行波により摩擦駆動される。この移動体１５の接触面１５ｂには、アルマイト層１９が形成されている。従って、振動子１３と移動体１５とは、樹脂膜１８とアルマイト層１９とが接触する形態となっている。

次に、本実施形態の樹脂膜１８について説明する。樹脂膜１８は、熱硬化性樹脂膜であり、エポキシ樹脂（硬化剤フェノール）を用い、樹脂１００体積に対して、φ８ｘ３０μｍのカーボン短繊維を３０体積％、粒径５μｍのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を３０体積％、粒径２μｍのシリコンビーズを１５体積％、配合したものである。その膜厚は３０μｍである。

樹脂膜１８は、以下に示す工程を経て形成される。まず、弾性体１２の摩擦接触面（櫛歯部の先端面）にプライマーを塗布して乾燥させる。次に、フェノール樹脂を硬化性プレポリマーとして配合したエポキシ樹脂に、カーボン短繊維、ＰＴＦＥ，シリコンビーズ，シンナー等の溶剤を混合した溶液を作る。この溶液を弾性体の摩擦接触面に塗布し、１９０℃程度の高温下に６０分間放置して、乾燥、硬化させる。硬化後、その表面を、グリーンカーポランダムを用いて研磨し、熱硬化性の樹脂膜１８が形成される。

本実施形態のアルマイト層１９について説明する。アルマイト層１９は、移動体１５のアルミニウムを陽極酸化処理することにより形成されたもので、以下の工程を経て形成される。
アルミニウム製の移動体１５の径方向の幅が例えば０．６ｍｍの場合、摩擦接触面の角部１５ａをＲ０．１〜０．３ｍｍ、すなわち、Ｒが移動体１５の幅の１／２以下になるように加工する。次いで、アルマイト処理を行い、３０μｍ以下、より好ましくは５〜２０μｍのアルマイト層１９を形成する。なお、移動体１５の角部１５ａのＲは、アルマイト層１９の厚さの５倍以上が好ましい。

ここで、アルマイト層１９は、形成される面の法線方向に膜が成長して形成される。このため、アルマイト層１９が形成される移動体１５の角部１５ａのＲと、アルマイト層１９の膜厚により、亀裂が生じる場合がある。すなわち、Ｒが小さいとカーブが急峻なため亀裂が生じやすく、また膜厚が厚くなると亀裂が生じやすい。

図３は、例えば移動体１５の接触部の幅が約０．６ｍｍの場合において、アルマイト層１９の膜厚３０μｍとし、移動体１５の縁のＲを０．３ｍｍ（図３（ａ））、０．２ｍｍ（図３（ｂ））．０．１ｍｍ（図３（ｃ））と変更したときのアルマイト層１９の状態を示す図である。図示するように、Ｒが０．３ｍｍ及び０．２ｍｍの場合は、膜に亀裂は生じず、アルマイト層１９はほぼ連続となる。一方、Ｒが０．１ｍｍの場合、角部１５ａのカーブが急峻なため、法線方向に膜が成長する際に、膜に亀裂が生じる。

以下の表１は、移動体１５の接触面１５ｂの欠け、割れを実際に測定した結果を示す表である。

表において、縦はアルマイト層の膜厚であり、横は角部１５ａの稜線の加工が上述したＲであるかＣであるか、またその加工の大きさ（Ｒの場合は半径、Ｃの場合は切り取られた辺の長さ）を示す。接触面１５ｂにおいて、欠けや割れが確認された場合×で示し、欠けや割れが確認されない場合は○で示す。

例えば、アルマイト層１９の厚さが３０ｍｍであって、Ｒ０．３ｍｍの図３（ａ）の状態の場合、及び、アルマイト層１９の厚さが３０ｍｍであって、Ｒ０．３ｍｍの図３（ｂ）の状態の場合、欠けや割れは発生しなかった。一方、アルマイト層１９の厚さが３０ｍｍであって、Ｒ０．１ｍｍの場合、すなわち図３（ｃ）の状態の場合、欠けや割れが発生した。しかし、アルマイト層１９の厚さが２０ｍｍになると、Ｒ０．１ｍｍの場合であっても、欠けや割れは発生しなかった。

以下の表２は、移動体１５の角部１５ａの状態を変えて、超音波モータ１０を回転させたときの、移動体１５の接触面１５ｂの状態を測定した結果である。

表に示すように、角部１５ａは、Ｃを形成するように面取りしても、固着は発生し、また磨耗も深く発生する。一方、角部１５ａにＲを形成するように面取りした場合、固着は発生せず、また磨耗の深さは、Ｒ０．１からＲ０．２、０．３と小さくなった。

以上、本実施形態によると、以下の効果を有する。
（１）本発明によれば、移動体１５の角部１５ａが湾曲しているため、移動体１５の接触面１５ｂに、欠落が無い連続したアルマイト層を形成することができる。このため、弾性体の樹脂膜に、過度な応力が印加されず、磨耗しにくく、耐久性能が向上し、また固着発生が少ない。
（２）移動体１５をアルミニウムで構成したため、平面度を良好なまま保つことができ、アクチュエータの性能を保持することができる。
（３）移動体１５の接触面１５ｂの面積を、振動子１３の接触面１３ａよりも小さくしたため、弾性体１２で発生した振動を移動体１５は全面で受け、伝達していくことができる。

（変形形態）
以上、説明した実施形態に限定されることなく、以下に示すような種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の範囲内である。
（１）アルマイト層上に、さらに無電解ニッケルリンめっきを行ってもよい。無電解ニッケルリンめっきの厚みは、これに限定されるものではないが、１０μｍ〜２０μｍ程度が好ましい。無電解ニッケルリンめっきを行うことで、移動体１５の表面をより滑らかにすることができる。
（２）本実施形態では、振動子１３側にエポキシ製の樹脂膜１８を形成したが、これに限らず、他の熱硬化性樹脂を主剤とする樹脂膜や各種金属めっきを形成してもよい。
（３）実施形態では、弾性体１２を形成する材料として、ステンレス鋼を用いたが、その他の鉄系材料を用いてもよい。例えば、Ｓ１５Ｃ、Ｓ５５Ｃ、ＳＣｒ４４５、ＳＮＣＭ６３０等の各種鉄鋼材料を用いてもよいし、リン青銅、アルミニウム系合金を用いてもよい。
（４）実施形態において、回転型の超音波モータ１０に適用する例を示したが、これに限らず、相対運動部材が直線方向に駆動されるリニア駆動型の振動波モ一タ等にも適用することができる。実施形態で、移動体１５が回転駆動される回転型（円環型）の振動波モータを例としてあげたが、これはこの型の振動波モータでは固着が問題になることが多く、本発明を適用すると特に大きな効果が得られるからである。
（５）実施形態において、２つの屈曲振動による進行性振動波によって移動体１５を駆動する振動波モータ１０を例として示したが、屈曲振動や面内振動を利用したロッド型アクチュエータ、ペンシル型アクチュエータ、円盤型アクチュエータ等の他の駆動モードを用いる振動波モータ、振動アクチュエータにも適用することができる。
（６）実施形態において、超音波領域を用いる振動波モータ１０を例として示したが、超音波領域を用いない電気機械変換アクチュエータにも適用することができる。
（７）実施形態において、振動波モータ１０は、カメラのレンズ鏡筒のフォーカス動作を行う駆動源として用いられる例を示したが、これに限らず、例えば、実施例１の振動波モータ１０をレンズ鏡筒のズーム動作を行う駆動源に用いてもよい。また、実施形態の振動波モータ１０を、複写機等の駆動源や、自動車のハンドルチルト装置やヘッドレストの駆動部等に用いてもよい。
（８）実施形態において、相対運動部材を形成する材料として、Ａ６０６１を用いたが、その他のアルミニウム又はアルミニウム合金であってもよい。例えば、Ａ５０５６、Ａ６０６３材であってもよい。
（９）振動子と相対運動部材の関係を逆にしてもよい。例えば、弾性体をアルミで製造して角部をＲ０．１上とし、アルマイト層を形成し、移動体を金属で製造して樹脂膜を形成してもよい。
（１０）アルマイト層、又はニッケルめっき皮膜の稜線をさらに研磨してなめらかにしてもよい。
なお、実施形態及び変形形態は、適宜組み合わせて用いることもできるが、詳細な説明は省略する。また、本発明は以上説明した実施形態によって限定されることはない。

本実施形態のカメラを示す図である。 本実施形態の超音波モータの断面図である。 移動体の縁のＲを変更した場合のアルマイト層の状態を示す図であり、（ａ）はＲ０．３ｍｍ、（ｂ）はＲ０．２ｍｍ、（ｃ）はＲ０．１ｍｍである。

符号の説明

１：カメラ、１０：超音波モータ、１１：圧電体、１３：振動子、１３ａ：接触面、１５：移動体、１５ａ：角部、１５ｂ：接触面１８：樹脂膜、１９：アルマイト層

Claims (8)

1. 電気機械変換素子の励振により振動を発生する振動子と、
   前記振動子と接触し、前記振動により前記振動子に対して相対運動を行う相対運動部材と、
   を備えた振動波アクチュエータであって、
   前記振動子は、樹脂製膜が形成された第１の面を有し、
   前記相対運動部材は、前記第１の面と対向し、陽極酸化膜が形成され、かつ、前記相対運動の方向と垂直な第１の方向における幅が前記第１の面より小さい第２の面を有し、
   前記第２の面は、前記第１の面と接触する第１の部分と、前記第１の部分の端部から前記第２の面の端部まで延在し前記第１の面から漸次離れるように湾曲した第２の部分を有すること、
   を特徴とする振動波アクチュエータ。
2. 請求項１に記載の振動波アクチュエータにおいて、
   前記第２の面の前記第２の部分は、Ｒ０．１ｍｍ以上で面取りされていること、
   を特徴とする振動波アクチュエータ。
3. 請求項１又は２に記載の振動波アクチュエータにおいて、
   前記第２の面の前記第２の部分は、前記第２の面の前記第１の方向における幅の２分の１よりも小さいＲで面取りされていること、
   を特徴とする振動波アクチュエータ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動波アクチュエータにおいて、
   前記第２の面の前記第２に部分は、前記陽極酸化膜の膜厚の５倍以上のＲで面取りされていること、
   を特徴とする振動波アクチュエータ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動波アクチュエータにおいて、
   前記陽極酸化膜は、膜厚が３０μｍ以下であることを特徴とする振動波アクチュエータ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の振動波アクチュエータであって、
   前記陽極酸化膜の外側にさらに無電解ニッケル−リン膜が形成されていること、
   を特徴とする振動波アクチュエータ。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の振動波アクチュエータを備えるレンズ鏡筒。
8. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の振動波アクチュエータを備えるカメラ。

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